變頻調(diào)速系統(tǒng)

1　關(guān)于功率因數(shù)的概念

　　1.1幾個(gè)基本定義

　　(1)功率因數(shù)的定義

　　在交流電路中，把平均功率與視在功率之比，稱為功率因數(shù):

　　式中，U─電壓的有效值(V);I─電流的有效值(A)。

　　1.2同頻率正弦電流的功率因數(shù)

　　(1)解析

　　實(shí)際上，DF=cosφ就是同頻率正弦電流的功率因數(shù)。在電力電子技術(shù)未進(jìn)入實(shí)用階段之前，電氣設(shè)備中的電流極大多數(shù)都是正弦波。所以，人們通常把電流與電壓相位差角的余弦cosφ就定義為功率因數(shù)。

　　(2)物理意義

　　如圖1，當(dāng)電流與電壓不同相(假設(shè)電流滯后于電壓）時(shí)，在電流的方向與電壓相反的區(qū)間，瞬時(shí)功率為負(fù)功率。其物理意義是:在該時(shí)間段內(nèi)，是器件(電感或電容)中儲(chǔ)存的能量(磁場(chǎng)能或電場(chǎng)能)向電源反饋的過(guò)程。

　　因此，電流中的一部分被用于電源和器件間進(jìn)行能量交換，而并未真正作功，故平均功率被“打了折扣”。

　　1.3高次諧波電流的功率因數(shù)

　　(1)解析

　　在電工基礎(chǔ)里，非正弦電流可以通過(guò)傅里葉級(jí)數(shù)分解成許多高次諧波電流。或者說(shuō)，非正弦電流可以看成是許多高次諧波電流的合成。

　　對(duì)于分析非正弦電流的功率因數(shù)來(lái)說(shuō)，了解高次諧波電流的平均功率是至關(guān)重要的。今以5次諧波電流為例，分析如下:

　　式(6)表明，5次諧波電流的平均功率為0?？梢赃M(jìn)一步證明:所有高次諧波電流的平均功率都等于0?；蛘哒f(shuō)，高次諧波電流的功率都是無(wú)功功率。

　　(2)物理意義

　　如圖2所示，5次諧波電流的瞬時(shí)功率中，一部分是正功率，另一部分是負(fù)功率。并且，正功率和負(fù)功率的總面積正好相等，故平均功率為0。

　　1.4非正弦電流的功率因數(shù)

　　(1)基波電流與電壓同相位

　　在基波電流與電壓同相位的情況下，上述的位移因數(shù)可不必考慮。

　　非正弦電流的有效值由下式計(jì)算:

　　式中，I1、I5、I7分別是基波電流、5次諧波電流和7次諧波電流的有效值(三相對(duì)稱電路中不存在以3為倍數(shù)的高次諧波電流。

　　因?yàn)榉钦译娏鞯臒o(wú)功功率是由于電流波形發(fā)生畸變而形成的，故其功率因數(shù)用畸變因數(shù)來(lái)表述:

　　式中，Kd─畸變因數(shù)。

　　(2)基波電流與電壓不同相

　　當(dāng)基波電流的相位與電壓之間存在相位差時(shí)，有:

　　·各高次諧波電流的平均功率仍為0;

　　·基波電流與電壓之間因有相位差而產(chǎn)生的位移因數(shù)必須考慮。

　　所以，非正弦電流的功率因數(shù)的表達(dá)式為:

　　字串2

2　變頻器的功率因數(shù)

　　2.1考察的對(duì)象

　　(1)功率因數(shù)偏低的影響

　　a)對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響

　　對(duì)于電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，功率因數(shù)低，將會(huì)降低電動(dòng)機(jī)的效率。如圖3所示，功率因數(shù)低，意味著電流與電壓之間的相位差較大，故在有功電流I1a相等的情況下，有:

　　可見(jiàn)，功率因數(shù)低的最終結(jié)果，是電動(dòng)機(jī)的銅損增加，故效率降低。

　　電動(dòng)機(jī)效率的降低，雖然是用戶應(yīng)該考慮的問(wèn)題，但卻并不是供電系統(tǒng)考慮的主要問(wèn)題。

　　b)對(duì)供電系統(tǒng)的影響

　　供電系統(tǒng)在為用戶提供電源時(shí)，要受到電流大小的制約。因?yàn)殡娏魈罅?，?huì)使導(dǎo)線發(fā)熱嚴(yán)重，損壞絕緣。

　　如果供電線路里無(wú)功電流太多了，則有功電流必減小，影響了供電能力。對(duì)于供電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這是更為重要的問(wèn)題。所以，供電系統(tǒng)總是通過(guò)進(jìn)線處的無(wú)功電度表來(lái)考察用戶的功率因數(shù)的。

　　(2)變頻器的功率因數(shù)問(wèn)題

　　a)電動(dòng)機(jī)側(cè)的功率因數(shù)

　　對(duì)于交－直－交變頻器而言，電動(dòng)機(jī)側(cè)的無(wú)功電流將被直流電路的儲(chǔ)能器件(電容器)吸收，反映不到變頻器的輸入電路中。因此，電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)并不是供電系統(tǒng)考察的對(duì)象。

　　b)變頻器輸入電流的功率因數(shù)

　　變頻器的輸入側(cè)是三相全波整流和濾波電路，如圖5(a)所示。顯然，只有當(dāng)電源線電壓的瞬時(shí)值uL大于電容器兩端的直流電壓UD時(shí)，整流橋中才有充電電流。因此，充電電流總是出現(xiàn)在電源電壓的振幅值附近，呈不連續(xù)的沖擊波狀態(tài)，如圖5(b)和(c)所示。顯然，變頻器的進(jìn)線電流是非正弦的，具有很大的高次諧波成份。有關(guān)資料表明，輸入電流中，高次諧波的含有率高達(dá)88%左右，而5次諧波和7次諧波電流的峰值可達(dá)基波分量的80%和70%，如圖5(d)所示。

　　如上述，所有高次諧波電流的功率都是無(wú)功功率。因此，變頻器輸入側(cè)的功率因數(shù)是很低的。有關(guān)資料表明，甚至可低至0.7以下。

　　因此，變頻調(diào)速系統(tǒng)需要考察的是輸入電流的功率因數(shù)。

　　（3)功率因數(shù)測(cè)量的誤區(qū)

　　a)輸入電流的位移因素

　　因?yàn)樽冾l器輸入電流的基波分量總是與電源電壓同相位的，所以，其位移因數(shù)等于1。

　　b)功率因數(shù)表的測(cè)量結(jié)果

　　功率因數(shù)表是根據(jù)電動(dòng)式偶衡表的原理制作的，其偏轉(zhuǎn)角與同頻率電壓和電流間的相位差有關(guān)。但對(duì)于高次諧波電流，則由于它在一個(gè)周期內(nèi)所產(chǎn)生的電磁力將互相抵消，對(duì)指針的偏轉(zhuǎn)角不起作用。功率因數(shù)表的讀數(shù)將反映不了畸變因數(shù)的問(wèn)題。如果用功率因數(shù)表來(lái)測(cè)量變頻器輸入側(cè)的功率因數(shù)，所得到的結(jié)果是錯(cuò)誤的。

3　變頻器功率因數(shù)的改善

　　根據(jù)以上的分析，改善變頻器功率因數(shù)的基本途徑是削弱輸入電路內(nèi)的高次諧波電流。因此，不能用補(bǔ)償電容的方法。恰恰相反，目前較多地使用電抗器法。

　　3.1電抗器法

　　(1)交流電抗器法

　　如圖6(a)所示，在變頻器的輸入側(cè)串入三相交流電抗器AL。

　　串入AL后,輸入電流的波形如圖6(b)所示，高次諧波電流的含有率可降低為38%;功率因數(shù)PF可提高至0.8~0.85。

　　除此以外，AL還有以下作用:

　　a)削弱沖擊電流

　　電源側(cè)短暫的尖峰電壓可能引起較大的沖擊電流。交流電抗器將能起到緩沖作用。例如，在電源側(cè)投入補(bǔ)償電容(用于改善功率因數(shù))的過(guò)渡過(guò)程中，可能出現(xiàn)較高的尖峰電壓;

　　b)削弱三相電源電壓不平衡的影響。

　　(2)直流電抗器法

　　直流電抗器DL接在整流橋和濾波電容器之間;

　　接入直流電抗器后，變頻器輸入電流的波形如圖7(b)所示，高次諧波電流的含有率可降低為33%;功率因數(shù)PF可提高至0.90以上。由于其體積較小，故不少變頻器已將直流電抗器直接配置在變頻器內(nèi)。

　　直流電抗器除了提高功率因數(shù)外，還可削弱在電源剛接通瞬間的沖擊電流。

　　如果同時(shí)配用交流電抗器和直流電抗器，則可將變頻調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)提高至0.95以上。

　　（3)注意事項(xiàng)

　　電路中串入電抗器后，變頻器的最高輸出電壓將降低2～3%。這將導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)運(yùn)行電流的增加和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的減小。因此，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的裕量較小，或要求高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的情況下，應(yīng)考慮加大電動(dòng)機(jī)和變頻器的容量。

　　3.2十二相整流法

　　近年來(lái)，有的變頻器生產(chǎn)廠開(kāi)始在低壓變頻器的輸入側(cè)采用十二相整流(如日本安川公司生產(chǎn)的CIMR－G7A系列變頻器)方式，在改善輸入電流波形及提高功率因數(shù)方面，取得了顯著的效果。

　　(1)電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

　　十二相整流的特點(diǎn)是:變頻器的輸入側(cè)接入一個(gè)變壓器，變壓器的副方具有兩組繞組，一組接成Y形，另一組接成Δ形，兩組繞組分別進(jìn)行三相全波整流后再并聯(lián).字串2

　　(2)十二相整流的效果

　　變頻器輸入電流的波形如圖8(b)所示，可以看出，其波形已經(jīng)十分接近于正弦波了，高次諧波電流的含有率只有12%;功率因數(shù)PF可提高到0.95以上。

　　3.3幾個(gè)實(shí)際例子

　　(1)某變頻器營(yíng)銷公司在銷售變頻器時(shí)，曾帶功率因數(shù)表向用戶顯示，用了變頻器后，功率因數(shù)可提高為1.0，用戶很高興地購(gòu)買了變頻器。但一個(gè)月后，電力公司說(shuō)，該廠的功率因數(shù)太低了，要罰款，乃至發(fā)生爭(zhēng)執(zhí)。后經(jīng)解釋清楚，配置了交、直流電抗器后，問(wèn)題得到了解決。

　　(2)某廠在安裝了變頻器后，發(fā)現(xiàn)功率因數(shù)下降了，便一再地增加補(bǔ)償電容。非但毫無(wú)作用，且補(bǔ)償電容器容易發(fā)生異常。配置電抗器后，問(wèn)題就解決了。